Гипотеза множества Вселенных

Согласно квантовой физике Мироздание не имеет единственной истории. С момента своего возникновения Мироздание развивалось по всем возможным сценариям одновременно согласно модели Теории Всего. Теория Всего это единая теория объясняющая все свойства нашей Вселенной с единой позиции. Такая теория пока не создана, но есть модель этой теории, включающая теорию электрослабых сил, (объединяющую электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие),  сильное ядерное взаимодействие и гравитацию. 

В первые секунды жизни Мироздание было сжато в столь малом объеме, что для ее описания требуется квантовая физика и для понимания фундаментальных основ природы, необходимы квантовые версии всех законов природы, но не все эти версии нам известны.

Сегодня квантовая физика делает однозначный вывод – при Большом Взрыве, то есть в момент начала Всего, должна была появиться не одна Вселенная, а огромное множество Вселенных каждая со своими законами, и у каждой из них была своя собственная интенсивность и вероятность.

Впервые идея о множестве вселенных пришла в голову британскому ученому Фреду Хойлу в 50-х годах, когда он решал проблему происхождения углерода. Водород, гелий и литий возникли на ранних дозвездных этапах формирования Вселенной.  Все остальные элементы кроме водорода рождаются (синтезируются) в звездах, где гелий и литий также синтезируются.

Хойл выяснил – если сталкиваются три ядра гелия или ядро гелия и ядро бериллия и их суммарная энергия в точности совпадает с одной из собственных частот углерода-12, возникает резонанс, позволяющий возрасти скорости ядерной реакции, в результате чего образуется углерод-12. Но он тут же немедленно превращается в кислород и тогда Вселенная остается без углерода. Углерод сможет выжить только в том случае, если кислород-16 не будет вибрировать с определенной частотой, соответствующей конкретной энергии. Кислород формируется внутри звезд, но, не за счет углерода. Все так тонко сбалансировано, что родилась именно наша Вселенная, где примерно равные количества углерода и кислорода — важнейших элементов жизни.

Затем Хойл пришел к двум логичным выводам. Первая – есть Бог, который тонко все настроил для нашего существования. Но если Создатель не занимался тонкой настройкой энергетических уровней, как тогда объяснить все эти невероятные совпадения? Хойл высказал второе предположение. Возможно, наша Вселенная — не единственная. Возможно, есть множество вселенных, каждая со своими физическими законами. Возможно, что где-то в других пространствах и других измерениях, существует огромное количество других вселенных и тогда существование нашей Вселенной и людей неизбежно ввиду гигантского количества вариантов вселенных.

Американский ученый Ричард Фейнман (1918–1988) довел догадку Хойла до почти научной теории. По Фейнману, система мира имеет не одну-единственную историю, а все, какие только возможны. Сегодня простое восприятие реальности несовместимо с современной физикой. Философия уже не поспевает за современным развитием науки. Физики раскрывают перед нами картину мира, которая значительно отличается от нашего старого мировоззрения.

Есть замечательный пример: предположим, рыбка находится внутри искривленного аквариума и видит всё искаженным огромной линзой. Картина реальности с точки зрения рыбки отличается от нашей, но можем ли мы утверждать, что она менее реальна, чем наша?

Рыбка видит мир не таким, как мы, тем не менее она тоже могла бы сформулировать законы, управляющие движением предметов, которые видит за пределами своего аквариума. Например, свободно движущийся предмет, который для нас перемещается по прямой, для рыбки движется по кривой вследствие искажения вида выпуклыми стенками аквариума. Тем не менее рыбка могла бы сформулировать научные законы в своей искаженной системе отсчета, и они всегда будут выполняться, что позволит предсказывать движение предметов вне аквариума. Если бы рыбка сформулировала такую теорию, то нам пришлось бы признать ее видение реальности столь же правомерным, как наше.

Не имеет смысла спрашивать, реальна или нет модель мира, важно одно: соответствует ли она наблюдениям. Если каждая из двух моделей соответствует наблюдениям, то нельзя сказать, что какая-то из них более реальна, чем другая.

Фейнман проводил эксперименты с перемещением квантовых частиц из одной точки в другую и пришел к выводу, что частицы следуют по всем возможным траекториям, соединяющим эти точки. Вот это, заявил Фейнман, и отличает квантовую физику от Ньютоновой. Частицы летят не по единственной определенной траектории, а по всем возможным траекториям одновременно! Это не фантастика.

Итак, одновременное существование одной элементарной частицы на разных позициях – научный факт.

Напомню, что пространство ранней Вселенной на первых секундах имело миниатюрные квантовые размеры и хотя еще не существует полной квантовой теории гравитации, мы знаем, что начало Вселенной было квантовым событием. Согласно же Теории Струн пространство при своем возникновении имело одновременно множество вариантов развития с различными физическими законами. Это значит, что после Большого Взрыва Мироздание развивалось одновременно по всем возможным вариантам с формированием множества вселенных.

Теория Струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и квантовых взаимодействий. Эта теория позволяет избежать некоторых трудностей в квантовой теории поля и приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени. Квантовая теория струн возникла в начале 70-х. С середины 80-х до середины 90-х ожидалось, что на основе теории струн будет сформулирована Теория Всего, но, несмотря на математическую строгость и целостность теории, пока не найдены варианты экспериментального подтверждения этой теории.

Согласно теории струн, частицы представляют собой не точки, а вибрирующие отрезки, имеющие только одно измерение – длину. Теория струн приводит к бесконечностям, но считается, что в правильной версии эти бесконечности уничтожатся. Эта теория имеет другое необычное свойство: она применима только для одиннадцатимерного пространства, но не для обычного четырехмерного. В теории струн дополнительные измерения свернуты в некое внутреннее пространство и число способов с помощью которых можно свернуть эти микроскопические измерения огромно, но ограничено. Точная форма внутреннего пространства определяет значения физических констант, то есть она определяет законы природы.

Каждый вариант сворачивания внутреннего пространства определяет свою Вселенную со своими отличными от других вселенных законами.  

Частица не имеет единственной истории, то есть, двигаясь из начальной точки в конечную точку, она следует не по одной определенной траектории, а одновременно по всем возможным траекториям, соединяющим эти точки. С такой позиции частица может взаимодействовать сама с собой, без взаимодействия с другими частицами. Если методы Фейнмана применить к Вселенной в целом, то в  таком понимании Вселенная появилась самопроизвольно и начала развиваться всеми возможными путями. Хотя некоторые из других вселенных должны быть похожи на нашу, большинство из них сильно отличаются от нее, даже своими законами природы.

Согласно расчетам допустимо существование 10 в 500-ой степени различных внутренних пространств. Это означает, что могут существовать 10 в 500-ой степени вселенных, у каждой из которых свои законы. Чтобы ощутить, насколько это много, представьте, что если бы кто-то задался целью проанализировать законы, предсказанные для этих вселенных, затрачивая всего одну миллисекунду на каждую из них, и приступил бы к работе в момент Большого взрыва, то к настоящему времени он изучил бы лишь 10 в 20-ой степени из них.

10 в 500-ой степени вселенных, каждая со своими законами, и нам достоверно известна только одна!

На первой фазе расширения Мироздание (здесь термин Мироздание я применяю как понятие объединяющее все возможные вселенные) расширилось в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз за 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01 долю секунды. Это как если бы монетка диаметром 1 см мгновенно стала в десять миллионов раз шире нашей Галактики — Млечного Пути. Это выше скорости света. А скорость света, как известно, не может быть превышена ничем, но это ограничение скорости неприменимо к расширению самого пространства.

Теперь немного о понятии время.

В настоящее время наука осознала, что время может вести себя как еще одно направление в пространстве. Это дает возможность понять, что вопрос начала времени не имеет смысла. Такой пример: предположим, что начало Вселенной — это нечто вроде Южного полюса Земли, а градусы широты играют роль времени. Окружности с постоянной широтой будут изображать размер Вселенной. По мере движения от Южного полюса на север эти окружности расширяются. Вселенная началась как точка на Южном полюсе, но Южный полюс мало чем отличается от любой другой точки. Спрашивать, что было до начала Вселенной, станет бессмысленно, потому что южнее Южного полюса ничего нет. В этом примере пространство-время не имеет границы — на Южном полюсе законы природы такие же, как и в других местах. Это представление о том, что истории Вселенных должны иметь вид замкнутых поверхностей без границ, называется условием безграничности.

Картина самопроизвольного квантового возникновения Вселенной напоминает появление пузырьков пара в кипящей воде.

Множество пузырьков лопается еще будучи микроскопического младенческого возраста. Они не вызывают особого интереса, так как в их короткой жизни не успевают развиться галактики и звезды, не говоря уж о разумной жизни. Другие вселенные вырастают до столь крупных размеров, что уже не лопаются и они будут продолжать расширяться со всё возрастающей скоростью.

Не следует считать, что между вселенными есть какое-то пустое пространство. Пустое пространство не может быть в принципе, потому что в пустоте величина поля и скорость его изменения строго равны нулю (в противном случае пространство не было бы пустым). Поскольку принцип неопределенности положения квантовой частицы не позволяет ни полю, ни скорости его изменения обладать точным значением, то пространство никогда не бывает пустым. Оно может находиться в состоянии минимальной энергии, то есть в состоянии вакуума, но это состояние подвержено квантовому дрожанию, когда частицы и поля то появляются, то исчезают. Отсюда следует, что структура Мироздания состоящего из множества вселенных похожа на пузырчатую массу без каких-либо зазоров. Как, однако, могут взаимодействовать вселенные на границах друг с другом пока совершенно не ясно.

При расширении пространства во вселенных возникают неоднородности. В сумме по историям есть лишь одна полностью однородная и регулярная история, и она будет иметь наибольшую вероятность. Но и многие другие, лишь слегка неоднородные, будут иметь почти такие же вероятности. Наша ранняя Вселенная, скорее всего, была слегка неоднородной, что соответствует тем небольшим различиям в интенсивности, которые были обнаружены у космического микроволнового фонового излучения. Неоднородности материи Вселенной важны потому, что если есть области с большей плотностью, чем остальные, то гравитационное притяжение избыточной плотности замедлит расширение этой области по сравнению с окружающими. Гравитация стягивает материю, что может привести к коллапсу и образованию галактик, звезд, и планет. С неоднородностями нам повезло, потому что однородный мир скучный.

Для каждого числа пространственных измерений — от нуля до десяти — есть своя вероятность. Скорее всего все измерения в начале были свернуты, но по какой-то причине три пространственных измерения в нашем мире развернулись, а остальные нет. Форма оставшихся свернутых измерений — внутреннее пространство — определяет как значения физических величин, так и природу взаимодействия между элементарными частицами.  Таким образом, существуют амплитуды вероятности для, возможно, 10 в 500 степени различных внутренних пространств, и в каждом случае со своими собственными законами и величинами физических констант.

Похоже, мы находимся в критической точке истории науки. Форма очевидных законов природы не вызваны логикой или физическими принципами. Параметры могут принять разные значения, а законы — любую форму, которая приводит к внутренне непротиворечивой математической теории, и в иных вселенных они действительно принимают другие значения и другие формы.  

Немного о жизни.

Вселенных, в которых может быть жизнь, подобной нашей, очень мало. Если бы наша Вселенная была хоть чуточку иной, то существа, подобные нам, не могли бы в ней жить.

Для развития человеческой жизни подошли не только характеристики нашей Солнечной системы, но также и характеристики всей Вселенной. Если эти характеристики будут иметь хоть малюсенькое отклонение, то жизнь станет невозможной.

Гелий и литий были изначально синтезированы в очень малых количествах, когда возраст Вселенной был около 200 секунд. Однако жизнь зависит от более сложных химических элементов, самый важный из которых — углерод, основа всей органической химии. Сомнительно, чтобы жизнь могла появиться, если бы отсутствовал углерод. Углерод имеет уникальное свойство соединяться с другими химическими элементами. Например, диоксид углерода СO2 при комнатной температуре представляет собой углекислый газ, необходимый для биологических процессов, а вот кремний — элемент, расположенный в Периодической таблице элементов непосредственно под углеродом, хоть и имеет сходные химические свойства, однако его двуокисное соединение с кислородом – SiO2 является кварцем. И все-таки – могли бы появиться какие-то формы жизни, которые питались бы кремнием и плавали бы в морях жидкого аммиака? Но такой тип экзотической жизни не мог развиться из одних лишь первоначальных элементов, поскольку из них возможно формирование только двух устойчивых соединений — гидрида лития LiH  и газообразного водорода Н2,  которые не способны ничего произвести.

Поэтому мы представляем собой углеродную форму жизни. Синтез углерода в звездах, как отмечалось выше, мог произойти только при строго определенных условиях и состояниях материи и отклонение от этих состояний привело бы к невозможности появления углерода. Будь протоны на 0,2 % тяжелее, они распадались бы на нейтроны, дестабилизируя атомы. При изменении величины сильного ядерного взаимодействия всего на 0,5 % или электромагнитной силы на 4 % во всех звездах был бы разрушен почти весь углерод либо весь кислород, а следовательно, утратилась бы возможность возникновения известной нам жизни. Законы природы формируют крайне тонко настроенную систему, и очень мало что в физическом законе может быть изменено без уничтожения возможности для развития жизни.

Наша Вселенная выглядит так, словно она сделана на заказ по проекту, разработанному специально для нас, и возникает естественный вопрос: почему же это так?

Неизбежно приходит мысль, что это свидетельство деятельности Бога. Мысль о том, что Вселенная была задумана, чтобы поселить в ней людей, появилась тысячи лет назад и существует до наших дней. У индейцев майя в эпосе «Пополь-Вух» боги провозгласили: «Но нет ни славы, ни величия в этом нашем творении, в нашем создании, пока не будет создано человеческое существо, пока не будет сотворен человек!» В египетском тексте, который относится к 2000 г. до н. э., сказано: «Люди, божья скотина, получили хорошие дары. Он [бог солнца] создал небо и землю для их пользы». В Китае даосский философ Ле Юйкоу (ок. 400 г. до н. э.) выразил похожую мысль словами сказочного персонажа: «Благодаря небесам произрастает пять видов зерна, небесами нам даны твари с плавниками и твари с перьями — все это для нашей пользы». Слова о ниспосланном свыше замысле есть в Ветхом Завете, в Книге Бытия.

Однако учитывая гигантское количество вариантов возникших вселенных после Большого Взрыва, появление такого мира как наша Вселенная представляется неизбежным.

Идея о множественности вселенных не была изобретена специально для объяснения чуда точной настройки. Она, подобно множеству других теорий современной космологии, проистекает из условия безграничности. Если это так, то вся обозримая Вселенная — является лишь одной из многих, подобно тому как и наша Солнечная система лишь одна из многих. Это означает, что как совпадения факторов внешней среды для нашей Солнечной системы не представляют собой ничего особенного, поскольку существуют миллиарды подобных систем, так и точная настройка законов природы может быть объяснена существованием множества вселенных.

Но почему есть что-то вместо того, чтобы не было ничего? Британский физик Хокинг это объясняет примерно так:

Любой набор законов, описывающих мир, имеет понятие энергии, которая сохраняет свое количество, то есть ее количество не изменяется со временем. Энергия пустого пространства будет постоянной, независимой ни от времени, ни от местонахождения. Есть условие, которому должны удовлетворять любые законы природы: энергия отдельного тела, окруженного пустым пространством, должна быть положительной, то есть для создания тела нужно проделать работу. Если энергия отдельного тела отрицательна, оно может быть создано в состоянии движения таким образом, чтобы его отрицательная энергия была точно уравновешена положительной энергией вследствие его движения. Будь это так, не было бы причины, препятствующей телам возникать где угодно. Пустое пространство было бы тогда нестабильным. Но если для создания отдельного тела нужно потратить энергию, то такой нестабильности не возникает, потому что энергия вселенной должна оставаться постоянной. Вот что требуется, чтобы вселенная была локально стабильной: нужно сделать ее такой, чтобы ничто не появлялось повсюду просто так из ничего.

Если полная энергия вселенной должна всегда оставаться нулевой и если для создания тела нужно потратить энергию, то как же целая вселенная может быть создана из ничего? Из-за того что пространство и время формируются гравитацией, пространство-время может быть локально стабильным, но глобально нестабильным. В масштабе всей вселенной положительная энергия материи может уравновешиваться отрицательной гравитационной энергией, и потому нет ограничения для возникновения целых вселенных. Поскольку существует гравитация, вселенная может возникнуть самопроизвольно из ничего. Тела, подобные звездам или черным дырам, не могут появиться просто так, из ничего. А вот вселенная целиком может. Самопроизвольное рождение и есть причина того, что Вселенная существует.

Однако наука пока затрудняется дать ответы на вопросы: почему существует гравитация и что же по сути она из себя представляет?

По материалам книги Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова "Высший замысел"